Сварные конструкции1 134-199стр. (Сварные конструкции)

Прочность при переменных нагрузках зависит главным образом от числа циклов нагружения, амплитуды изменения напряжения, формы и размеров испытуемых образцов, их материала, состояния поверхности, вида нагружения (изгиб, кручение), свойств среды, в которой производится испытание (воздух, вода и т. п.).

Н а рис. 4.1, а показана диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружений N. Максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при достаточно большом числе циклов нагружеипя, называется пределом выносливости. При испытаниях стальных образцов предел

выносливости определяют при N = 10⁷.

Е сли образец испытывают при меньшем числе нагружений, то значение разрушающих напряжений называют пределом ограниченной выносливости.

На рис. 4.1, б изображена диаграмма прочности металла в зависимости от числа циклов нагружения, построенная в полулогарифмических координатах.

Число циклов в логарифмическом масштабе отложено по оси абсцисс, а значения разрушающих напряжений — по оси ординат. Опытами подтверждено, что зависимость σ = f (N) (рис. 4.1) при построении в этих координатах может быть изображена двумя отрезками прямой: наклонным и горизонтальным. Горизонтальная прямая соответствует пределу выносливости.

Предел выносливости зависит в значительной степени от характеристики цикла. Цикл — совокупность всех значений напряжений за время одного периода погружения.

Отношение r = σmin/σmax называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, где σmin и σmax — соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла.

На рис. 4.2, а показана схема цикла симметричного нагружения |σmax|=|σmin|, на рис. 4.2,6 — знакопостоянного нагружения, на рис. 4.2, б — асимметричного знакопеременного нагружения |σmax|≠|σmin|, а на рис. 4.2,5——отнулевого. Пределы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются σ-1, при отнулевом — σ0, при произвольном — σr. Наибольшее значение имеют пределы выносливости при испытаниях на изгиб, несколько меньшее — при осевом нагружении

и наименьшее — при кручении. Характер изменения напряжений по времени бывает различным: как синусоидальным (рис. 4.2, а — г), так и другой формы (рис. 4.2, д,е).

В целях изучения пределов выносливости в зависимости от характеристики циклов строится диаграмма выносливости. Наиболее часто пользуются построением диаграммы выносливости испытуемых образцов по методу Смита, представленной в схематизированной форме на рис. 4.3. По оси абсцисс от кладываются значения средних напряжений цикла σm = (σmax + σmin)/2, по оси ординат — напряжения σmax и σmin. Под углом

4 5° к оси абсцисс проводится прямая.

а мплитуды σv = (σmax – σmin)/2 откладываются симмет

р ично относительно этой прямой.

Рис. 4.2. Осциллограммы пагру

жениц с различными характеристиками циклов.

П рямые пересекаются в точке К, которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности σв. Отрезок ОА выражает значение предела выносливости при симметричном цикле.

При этом σm= 0.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с напряжениями, не превышающими предела текучести σт. Из точки D

с координатами σт, σт проводят горизонтальную прямую до пересечения с прямой AK в точке N. Эту точку проецируют на пря-

мую А'К в точку M. Ломаная линия ANDМА' выражает схематизированную диаграмму усталости в пределах упругих деформаций. Отрезок ВС выражает значение предела выносливости при пульсирующем цикле σo; 0В = σo/2.

Проведем из точки О прямую под произвольным углом а к оси абсцисс, тогда

По этому отношению для заданного цикла r определяют tgα. Точка Р определяет значение предела выносливости при заданном цикле нагружения.

Н а рис. 4.4 показана полная диаграмма зависимости σmax и σmin от среднего напряжения σm в области растягивающих и сжимающих напряжении. С ростом средних сжимающих напряжений амплитуда разрушающих напряжений растет, пределом роста

является σт — предел текучести при сжатии.

Отношение предела выносливости и предела текучести при испытании стандартных гладких образцов из низкоуглеродистых сталей на изгиб в условиях симметричного цикла равно σ-1 / σт ≈ 0,6÷0,7. Для низколегированных конструкционных сталей отношение σ-1/σт меньше, чем для низкоуглеродистых.

Обычно при повышении температуры пределы выносливости сталей понижаются. В агрессивных средах предел выносливости значительно уменьшается. Прочность деталей конструкций при переменных нагрузках зависит от концентрации напряжений. Эффективным коэффициентом концентрации напряжений Кэ называется отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца при наличии концентратора; Кэ≥1, причем чем ближе Кэ к 1, тем лучше работает изделие. У хрупких материалов эффективный коэффициент концентрации Кэ близок к теоретическому ασ(см. гл. 3), в пластичных он значительно меньше.

Опытами установлено, что при значениях г, близких к единице, концентрация напряжений не оказывает существенного влияния на предел выносливости. С уменьшением r влияние концентраторов на понижение предела выносливости растет, наибольшего значения Кэ достигает при r = -1.

Расчетным путем пределы выносливости для образцов с концентраторами определяются на основе статистической теории

усталостных разрушений, разработанной С. В. Серенсеном и В. П. Когаевым. Пределы выносливости образцов круглого сечения диаметром а из сталей обыкновенного качества можно находить по соотношению

где ασ —теоретический коэффициент концентрации; ρ — радиус закругления в вершине концентратора.

Чувствительность к концентраторам в образцах из низколегированной стали может быть выше, чем из низкоуглеродистой. Пределы выносливости сталей, испытанных при изгибающих усилиях и симметричных циклах, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Пределы выносливости сталей σ-1, МПа

Предел выносливости основного металла в околошовной зоне иногда изменяется по сравнению с пределом выносливости образцов из основного металла, не подвергавшегося влиянию процесса сварки. Восстановить предел выносливости можно термической обработкой сварного соединения.

Заметное влияние на сопротивление усталости оказывают также размеры сечений образцов или конструктивных элементов. При увеличении диаметра образцов с 10 до 200 мм значения предела выносливости стали 22 снизились с 215 до 165 МПа, а стали 35 — со 155 до 90 МПа.

Крайне отрицательное влияние на усталостную прочность оказывает коррозионный эффект в агрессивных средах (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Пределы выносливости сталей в коррозионной среде при N =5·10⁷ циклов

Сварные конструкции в некоторых областях техники подвергают испытаниям при низкой частоте нагружений и доводят до разрушения при нескольких десятках тысяч циклов. Такие испытания называются повторно-статическими. Многие явления, свойственные поведению образцов под усталостными нагрузками, имеют место при повторно-статических нагрузках. Прочность образцов зависит от наличия концентраторов в соединениях, свойств материала и качества сварных соединений.

Тем не менее сопротивляемость сварных соединений нагружениям при низкой частоте (несколько циклов в минуту, в час, в сутки) заметно хуже, чем при испытаниях с высокой частотой. Низкочастотные нагрузки снижают прочность всех видов материала и сварных соединений. Низкочастотным нагружениям подвергаются конструкции подводных судов, резервуарно-котельные конструкции. Низкочастотные колебания нагрузки, модулированные более высокой частотой, особенно резко снижают усталостное сопротивление сварных конструкций.

§ 2. Сопротивление усталости сварных соединений,

выполненных дуговой сваркой

В сварных конструкциях предел выносливости зависит от материала, технологического процесса сварки, формы конструкции, а также от рода усилия и характеристики цикла нагружения. Влияние технологического процесса сварки на прочность при переменных нагрузках обычно изучают на образцах стандартного типа, имеющих стыковые швы. В образцах со снятым усилением концентрация напряжений практически отсутствует. Как показали результаты многочисленных опытов, в таких обработанных сварных образцах из низкоуглеродистых и ряда низколегированных конструкционных сталей отношение σ’-1/σ-1 ≥0,9, где σ-1—предел выносливости образца из основного металла при симметричном цикле; σ’-1 — предел выносливости стыкового сварного соединения. Значения предела выносливости при автоматической сварке более стабильны, чем при ручной. Это объясняется лучшим качеством сварных швов.

При действии переменных нагрузок следует отдельно рассматривать прочность швов и прочность прилегающего к ним основного металла. В большинстве случаев в стыковых соединениях разрушение наступает в околошовных зонах. Это объясняется наличием в них концентраторов напряжений от швов с необработанной поверхностью, а также разупрочнений легированных или закаленных сталей в результате теплового действия сварочной дуги. На рис. 4.5 приведены усталостные характеристики сталей и алюминиевого сплава Д16Т и их сварных соединений. Высокие отношения пределов выносливости соединений к пределам прочности основного металла имеют низкоуглеродистые стали. Аустенитные стали, высокопрочная сталь марки 30ХГСНА, сплав марки Д16Т имеют низкие значения σ-1/ σв и σ’-1/ σв.

Стали повышенной прочности наиболее эффективно используются в условиях статических и переменных нагрузок при r > 0. Если значения коэффициентов концентрации напряжений конструкции высоки и r →—1, то эффективность применения высокопрочных сталей резко понижается. Как показали исследования Института электросварки им. Е. О. Патона (табл. 4.3), в этом случае пределы выносливости для сталей с совершенно различными значениями пределов прочности почти не отличаются.

П ри наличии технологических дефектов (шлаковых включений, пор, окислов, трещин, непроваров и т. п.) прочность сварных соединений при переменных нагрузках резко падает. Даже небольшой непровар корня шва образует надрез и концентрацию напряжений, что может существенно снижать прочность стыковых соединений при переменных нагрузках. Влияние непровара на уменьшение усталостной прочности зависит от рода материала. Очень чувствительны к непроварам сварные соединения из аустенитных сталей типа 12Х18Н9Т и титановых сплавов. На рис. 4.6 показано изменение пределов выносливости сталей и алюминиевых сплавов в зависимости от глубины непровара.